Diseño de pernos de anclaje basado en desempeño sismico aplicado a marcos de acero semiflexibles arriostrados en X emplazados en zona sísmica III suelo tipo C diseñados según la norma NCh2369 actualizada en 2023.

Abstract

Chile, es uno de los países con mayor actividad sísmica a lo largo de su geografía, donde durante el transcurso de los últimos años ha experimentado una frecuencia de eventos sísmicos no menor, dentro de los cuales se destaca el de Valdivia en 1960. Lo anterior conlleva a la necesidad de estar en completa evaluación y actualización de las normativas de diseño sísmico, siendo crucial en esto la actual normativa vigente NCh2369. Esta norma contiene disposiciones para el diseño de estructuras de acero basadas en marcos arriostrados concéntricamente y placas base de columnas con pernos de anclaje dúctiles (MAC), requerimientos que se deben cumplir a la hora de realizar el diseño de estructuras destinadas a instalaciones industriales. La filosofía detrás de esta norma no se limita a garantizar la resistencia sísmica de las estructuras y proteger la vida, sino también a asegurar la continuidad de la operación y minimizar el tiempo de paralización. Esto es importante debido a las grandes pérdidas económicas que se pueden producir en caso de interrupción prolongada de las operaciones. La normativa NCh2369 nace durante el año 2003, siendo clave y guía, la experiencia y las prácticas de importantes empresas de ingeniería en Chile para generar diseños estructurales redundantes con alta resistencia lateral, con el objetivo de evitar la incursión inelástica en los elementos estructurales. Sin embargo, debido a el evento sísmico ocurrido en la región del Maule en 2010, se evidenció problemas en la puesta en marcha de equipos, como también deficiencias en el mecanismo de colapso, siendo esto indicio de una clara necesidad de actualizar dicha normativa, dando paso a la actual edición vigente, la normativa NCh2369 actualizada en el presente año (INN, 2023). La norma requiere que el diseño de elementos donde se acepta plastificación (arriostramientos y pernos de anclaje) se base en fuerzas sísmicas reducidas por un factor de modificación de la respuesta R. Si bien esta metodología resulta ser razonable para el diseño de los arriostramientos verticales, el uso de fuerzas sísmicas reducidas para el diseño de pernos de anclaje no es capaz de garantizar que la plastificación del anclaje preceda al pandeo de arriostramientos, perdiéndose el efecto beneficioso del anclaje dúctil. Dado lo anterior, el objetivo es comparar los resultados de metodología tradicional con los obtenidos mediante la implementación de una nueva metodología para el diseño de pernos de anclaje de tipologías MAC que se basa en la capacidad resistente lateral del sistema para el dimensionamiento de los pernos, considerando un espacio arquetipo de estructuras con periodos que varían entre 0.15 y 0.90 segundos, diseñadas en base a las disposiciones de la norma NCh2369 actualizada en 2023. Se incluye en la modelación la incursión no lineal de los pernos de anclaje y arriostramientos, para dos niveles de amenaza sísmica (nivel de diseño y para un nivel de máximo sismo posible), definidos en base a un espectro objetivo de media condicionada. Se estudian en detalle y con un enfoque estadístico los mecanismos de disipación de energía y los indicadores de daño más relevantes: elongación de los pernos de anclaje, factores de sobrerresistencia, disipación de energía, factor Rμ, deformación de arriostramientos, drift de entrepiso, factor de utilización de columnas. Estos estudios permitirán validar las modificaciones establecidas a la norma NCh2369 (INN, 2023) y contrastar con la efectividad de la nueva metodología propuesta. Los resultados obtenidos son coherentes con las disposiciones de la actual norma. En ambos niveles de amenaza sísmica, tanto para el diseño como para máximo sismo posible, se ha demostrado que los pernos de anclaje actúan eficazmente como fusibles sísmicos, y los arriostramientos, en conjunto, complementan su trabajo, con una igual o mayor participación en esta. Ya que con las nuevas disposiciones se privilegia el uso de perfiles HSS por sobre XL en arriostramientos, es posible obtener factores de utilización en el diseño en general más cercanos a la unidad, los que, en la mayoría de los casos, provocan una mayor incursión en el rango no lineal de estos miembros. Por otro lado, gracias a las disposiciones establecidas de sobrerresistencia, las columnas sísmicas han demostrado mantener su comportamiento lineal y estar protegidas contra la acción sísmica. Finalmente, a partir de los resultados de factor de reducción de la respuesta y la sobrerresistencia, se comprueba la capacidad de que las estructuras para disipar la energía sísmica sin entrar notoriamente en rango no lineal. Por otra parte, si bien los resultados obtenidos mediante la normativa tradicional son los esperados y están dentro de los rangos estandarizados y permitidos, la aplicación de la metodología resulta en una mejora en la mayoría de los casos del desempeño estructural respecto al método tradicional (Norma NCh2369), observando que la energía disipada por los arriostramientos es menor lo que alivia el pandeo, y la deformación en dicho elemento también disminuye, considerando estos como los resultados más relevantes.

Chile is one of the countries with the highest seismic activity throughout its geography, where during the last years it has experienced a significant frequency of seismic events, among which the Valdivia earthquake in 1960 stands out. This leads to the need to be complete evaluation and updating of seismic design regulations, being crucial in this regard the current NCh2369 standard in force. This standard contains provisions for the design of steel structures based on concentrically braced frames and column base plates with ductile anchor bolts (MAC), requirements that must be met when designing structures for industrial facilities. The philosophy behind this standard is not limited to guaranteeing the seismic resistance of structures and protecting life, but also to ensure continuity of operation and minimize downtime. This is important because of the large economic losses that can occur in the event of prolonged interruption of operations.

The NCh2369 standard was born during 2003, being key and guide, the experience and practices of important engineering companies in Chile to generate redundant structural designs with high lateral resistance, with the objective of avoiding inelastic incursion in the structural elements. However, due to the seismic event that occurred in the Maule region in 2010, problems were evidenced in the commissioning of equipment, as well as deficiencies in the collapse mechanism, indicating a clear need to update this standard, giving way to the current edition in force, the NCh2369 standard updated this year (INN, 2023). NCh2369 requires that the design of elements where plastification is accepted (bracings and anchor bolts) be based on seismic forces reduced by a response modification factor R. Although this methodology is reasonable for the design of vertical bracings, the use of reduced seismic forces for the design of anchor bolts is not able to guarantee that anchorage plastification precedes buckling of bracings, losing the beneficial effect of ductile anchorage.

Given the above, the objective is to compare the results of traditional methodology with those obtained by implementing a new methodology for the design of anchor bolts of MAC typologies that is based on the lateral resistance capacity of the system for the sizing of the bolts, considering an archetypal space of structures with periods varying between 0,15 and 0,90 seconds, designed based on the provisions of the NCh2369 standard updated in 2023. The nonlinear incursion of anchor bolts and bracings is included in the modeling, for two levels of seismic hazard (design level and for a maximum possible earthquake level), defined based on a conditioned mean objective spectrum. The energy dissipation mechanisms and the most relevant damage indicators are studied in detail and with a statistical approach: anchor bolt elongation, over-resistance factors, energy dissipation and Rμ factor, bracing deformation, inter-story drift and column utilization factor. These studies will allow validating the modifications established to the NCh2369 standard (INN, 2023) and contrast with the effectiveness of the new proposed methodology.

The results obtained are consistent with the provisions of the current standard. At both seismic hazard levels, both for the design and for the maximum possible earthquake, it has been shown that anchor bolts act effectively as seismic fuses, and bracing complements their work, with an equal or greater participation in this. Since the new provisions favor the use of HSS sections over XL in bracing, it is possible to obtain design utilization factors generally closer to one, which, in most cases, results in a greater incursion into the nonlinear range of these members. On the other hand, thanks to the established provisions for over-resistance, seismic columns have been shown to maintain their linear behavior and to be protected against seismic action. Finally, from the results of the response reduction factor and the over-resistance, the capacity of the structures to dissipate the seismic energy without entering notoriously in the nonlinear range is verified.

On the other hand, although the results obtained by means of traditional standards are as expected and within the standardized and permitted ranges, the application of the methodology results in most cases, improvement of the structural performance with respect to the traditional method (NCh2369), observing that the energy dissipated by the bracings is lower, which alleviates buckling, and the deformation in said element also decreases, considering these as the most relevant results.